優(yōu)良綜合性能的高頻軟開關逆變電源工作原理分析

摘要：首次提出了占空比擴展高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器新思路，深入分析研究了該軟開關逆變器工作原理、三態(tài)離散脈沖電流滯環(huán)跟蹤控制策略，獲得了關鍵電路參數設計準則。設計并研制成功的750VA 27VDC/115V 400HzAC逆變電源具有體積重量小、變換效率高、靜態(tài)精度高、動態(tài)響應速度快、輸出波形失真度低、過載與短路能力強、可靠性高等優(yōu)良的綜合性能。

關鍵詞：軟開關；高頻環(huán)節(jié)逆變器；高頻脈沖直流環(huán)節(jié)；三態(tài)離散脈沖調制；有源箝位

High Frequency Soft-switching Inverter with excellent peformance

CHEN Dao-lian

Abstract:A novel idea of inverter with duty cycle extended high frequency pulse DC link is firstly proposed . The operation principle of the soft-switching inverter and the control strategy of three-state discrete pulse modulation hystersis current are deeply analyzed and studied. The design criterions of key circuit parameter are gained. A designed and developed 750 VA 27 V DC/115 V 400 Hz AC prototype has the excellent comprehensive advantages.

Keywords:Soft-switching； High frequency link inverter； High frequency pulse DC link； Three-state discrete pulse modulation（ DPM） ； Active clamp

1 引言

綜合軟化開關高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器，解決了分級軟化開關高頻環(huán)節(jié)逆變器存在的電路拓撲復雜，功率密度和變換效率偏低，成本偏高等問題[1，2]。這類軟開關逆變器由電氣隔離型高頻脈沖直流環(huán)節(jié)電路與DC/AC逆變橋級聯(lián)而成。

文獻[1]提出了并聯(lián)交錯有源箝位正激式高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器電路拓撲，如圖1（a）所示。該電路仍存在電路拓撲和控制偏復雜，體積重量偏大，變換效率和可靠性偏低等缺點。為了進一步簡化高頻脈沖直流環(huán)節(jié)電路拓撲，再次提出了高頻脈沖直流電壓波占空比擴展的新思路[3]，從而成功地解決了單管正激式功率開關占空比小與輸出高頻脈沖直流電壓波占空比要求大之間的矛盾。本文主要研究占空比擴展的高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器工作原理，控制策略，關鍵電路參數設計準則，并給出了樣機試驗結 果。

(a) 并 聯(lián) 交 錯 有 源 箝 位 正 激 式

(b) 占 空 比 擴 展 的 單 管 有 源 箝 位 正 激 式

圖1 高 頻 脈 沖 直 流 環(huán) 節(jié) 逆 變 器 電 路 拓 撲

2 占空比擴展的高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器工作原理

基于占空比擴展的單管有源箝位正激式高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器電路拓撲，如圖1（b）所示。單管有源箝位正激式高頻脈沖直流環(huán)節(jié)電路，將經LC輸入濾波器后的輸入電壓18～32VDC變換成平均值為180V，頻率為80kHz，占空比擴展的高頻脈沖直流電壓udo， DC/AC逆變?yōu)槿珮蚪Y構，逆變橋所有功率器件在前級輸出的高頻脈沖直流電壓波udo過零處進行開關轉換，從而實現了零電壓開關（ZVS）。逆變橋輸出的調制電壓波uAB經輸出濾波電感Lf、濾波電容Cf后，得到了恒壓恒頻115V 400Hz的單相交流電。

箝位開關Sc與箝位電容Cc串聯(lián)支路，構成了正激變換器的有源箝位支路，實現了高頻變壓器T的磁復位。功率開關Sr與電容Cr串聯(lián)支路不但可用來吸收DC/AC逆變橋交流側回饋的無功能量，而且可以實現高頻脈沖電壓波udo占空比的擴展。高頻脈沖直流電壓udo占空比擴展原理，如圖2所示。Sr的驅動信號相對于功率開關S的驅動信號稍延遲開通t3時間，大大延遲關斷t4時間。合理設計吸收支路開關Sr的延遲時間t4，也就實現了高頻脈沖電壓波udo的擴展。吸收開關Sr與功率開關S均截止時，udo為零電平，在此期間實現DC/AC逆變橋功率開關的ZVS轉換。

圖2 高 頻 脈 沖 直 流 電 壓 占 空 比 擴 展 原 理

3 三態(tài)離散脈沖調制電流控制技術

高頻脈沖直流環(huán)節(jié)電路和DC/AC逆變橋采用各自獨立的控制電路。高頻脈沖直流環(huán)節(jié)電路采用輸入電壓前饋脈寬調制，DC/AC逆變橋采用輸出電壓和濾波電感電流雙閉環(huán)反饋三態(tài)離散脈沖（DPM）控制技術，其控制原理，如圖3所示。輸出電壓反饋信號uof與基準電壓信號ug比較，經PI調節(jié)器后，電壓外環(huán)的輸出信號ig作為電流內環(huán)的給定信號。電流內環(huán)為三態(tài)離散脈沖滯環(huán)跟蹤控制調節(jié)器。濾波電感電流反饋信號if在正、負環(huán)寬范圍內跟蹤ig變化。滯環(huán)比較結果經采樣信號uc（過零信號）采樣，控制功率開關S1、S2、S3、S4在udo零電平期間開關轉換，從而獲得輸出調制電壓uAB，其控制規(guī)律為

(a) 控 制 原 理

(b) 原 理 波 形